CN109941463A - 主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元及其使用方法，其特征在于：设有主动连接机构、被动连接机构以及支撑机构，所述支撑机构由六块等大的面板环绕连接组成一个中空的正六面体，其中六块等大的面板中包含主动面板(9)与被动面板(18)；所述主动连接机构设置在主动面板(9)上，被动连接机构设置在被动面板(18)上；本发明具有连接可靠、体积小、重量轻、模块化和集成化程度高、自重构性和扩展性好、互换性好、灵活性高等显著的优点。
Description
技术领域：
本发明涉及空间自重构细胞机器人制造技术领域，具体的说是一种连接可靠、体积小、重量轻、模块化和集成化程度高、自重构性和扩展性好、互换性好、灵活性高的主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元及其使用方法。
背景技术
航天技术经过半个多世纪的发展，人类在认识和利用太空的技术上取得了丰硕的成果，空间技术也成为各国科技实力竞争新的战略阵地，为了加快空间力量的建设，在轨组装、在轨服务等技术也应运而生。众所周知，现有的航天运载工具的运送能力都是有限的，很多大型航天器都具有体积大、重量大的特点，需要实行在轨组装，需要将大型航天器拆分成一些模块单元，运送至空间指定位置后利用机器人技术进行在轨组装。同时，航天器的检测、维修以及系统升级的工作，也需要进行在轨服务。
目前在轨组装技术主要依靠的是固定在航天器舱体上的机械臂，或者依靠航天人员进行舱外维修。但是，机械臂所能覆盖组装的空间是有限的，机械臂的行程范围限制了在轨组装技术，同时航天人员进行舱外维修对航天员的生命安全造成了极大的威胁。自重构空间细胞机器人依靠其自身的模块化、互换性、扩展性等特点，能够根据不同的工作环境改变自身的形状，适应不同的任务要求。传统的自重构机器人存在着各单元模块种类复杂、互换性和扩展性较差、连接方式比较复杂、可靠性不足等缺点。空间细胞机器人将细胞分裂、分化、组合的原理应用于机器人技术之中，也属于自重构空间机器人的一种，依靠不同细胞模块的互换性、扩展性和连接性，通过各种传感器感知周围环境，改变自身形状适应任务需求。
发明内容
本发明针对现有自重构机器人存在的模块化程度低、互换性差、连接可靠性不足等问题，提供一种连接可靠、体积小、重量轻、模块化和集成化程度高、自重构性和扩展性好、互换性好、灵活性高的主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元及其使用方法。
本发明解决上述不足所采用的技术方案是：
一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于：设有主动连接机构、被动连接机构以及支撑机构，所述支撑机构由六块等大的面板环绕连接组成一个中空的正六面体，其中六块等大的面板中包含主动面板(9)与被动面板(18)；所述主动连接机构设置在主动面板(9)上，被动连接机构设置在被动面板(18)上；
所述主动连接机构包括外导锥(1)、锁紧块(2)、锁紧块销轴(3)、锁紧芯轴(4)、锁紧螺柱(5)、内六角螺钉一(6)、电机固定座一(7)、电机一(8)以及主动面板(9)，其中电机固定座一(7)及电机一(8)均置于正六面体内，主动面板(9)上开设通孔，电机一(8)经电机固定座一(7)通过螺钉与主动面板(9)连接，且电机一(8)的输入轴穿过主动面板(9)上的通孔后嵌入锁紧螺柱(5)后端内并通过内六角螺钉一(6)进行紧固连接；锁紧螺柱(5)还设有外螺纹，并通过外螺纹与设有内螺纹的锁紧芯轴(4)进行螺纹配合；所述锁紧芯轴(4)位于主动面板(9)外侧，且锁芯芯轴(4)前端外壁上开设凹槽，所述锁紧块(2)一端嵌入锁紧芯轴(4)的外部凹槽内；另一端通过锁紧块销轴(3)连接在外导锥(1)上，使锁紧块(2)绕锁紧块销轴(3)进行定轴转动实现锁紧块(2)的上升和下降；所述外导锥(1)通过螺钉固定连接在主动面板(9)外侧；
所述被动连接机构包括电机固定座二(10)、电机二(11)、主动齿轮(12)、齿轮套(13)、轴承(14)、轴承座(15)、轴承紧固块(16)、内六角螺钉二(17)以及被动面板(18)，其中被动面板(18)中央开设通孔，所述电机二(11)经电机固定座二(10)通过螺钉固定连接在被动面板(18)内侧；所述电机二(11)输入轴与主动齿轮(12)通过键连接；所述主动齿轮(12)与齿轮套(13)啮合；所述轴承座(15)通过螺钉固定在被动面板(18)的通孔处；所述轴承(14)外圈表面与轴承座(15)内表面贴合；所述齿轮套(13)外表面与轴承(14)内圈贴合，并利用齿轮套(13)的轴肩定位；所述轴承紧固块(16)一部分与轴承(14)内圈贴紧，另外一半通过内六角螺钉二(17)与齿轮套(13)进行紧固连接。
本发明中锁紧螺柱(5)的后端设有夹紧块，夹紧块中央开设通孔，且夹紧块上设有贯通通孔的切缝，夹紧块由切缝分隔为左夹紧块和右夹紧块，左夹紧块或右夹紧块上开设螺钉孔，螺钉孔内设置内六角螺钉(6)，当电机一(8)的输入轴穿过主动面板(9)上的通孔伸入锁紧螺柱(5)后端夹紧块上的通孔内时，通过内六角螺钉(6)完成锁紧固定。
本发明所述锁紧芯轴(4)呈具有一端端盖的套筒状，且锁紧芯轴(4)端盖中央开设通孔，锁芯芯轴(4)靠近端盖的一端开设贯通套筒状侧壁的凹槽，凹槽呈环形或由环形槽以及与环形槽相连通的沿锁紧芯轴(4)长度方向延伸的条形槽组成；锁紧螺柱(5)由锁紧芯轴(4)后端伸入并与锁紧芯轴(4)的内螺纹配合。
本发明中所述外导锥(1)表面开有三角形凹槽和T型凹槽，便于装入锁紧块(2)和锁紧块销轴(3)，同时外导锥(1)采用中空结构，减轻整体重量；而且外导锥(1)外表面加工成锥形，保证两个相邻细胞单元对接时具有良好的导向性和容错能力；所述锁紧芯轴(4)外表面与外导锥(1)内表面留有间隙，且锁紧芯轴(4)的外表面也开有凹槽，锁紧块(2)一端嵌入凹槽内部，进行装配时，要使外导锥凹槽与锁紧芯轴凹槽对齐。
本发明中所述齿轮套(13)采用阶梯结构，有齿部分直径大于光轴部分直径，采用齿轮套轴肩定位，齿轮套与轴承内圈通过轴承紧固块和内六角螺钉二进行紧固连接，防止齿轮套与轴承内圈产生相对滑动。
本发明中所述电机一、电机一的减速装置均集成在电机内部，使整体结构紧凑；所述锁紧螺柱为细牙螺纹；电机一、电机二和锁紧螺柱都具有很好的自锁性，保证连接的可靠性。
本发明还提出了一种如所述主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元的使用方法，其特征在于主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元中任意一个的主动连接机构利用外导锥的导向作用插入第二个主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元被动连接机构的齿轮套中，电机一输入轴通过内六角螺钉一与锁紧螺柱固定连接，电机一带动锁紧螺柱进行旋转运动，锁紧螺柱旋入锁紧芯轴内部，构成丝杠丝母传动，锁紧螺柱带动锁紧芯轴进行轴向进给往复运动，锁紧块一端嵌入锁紧芯轴内部，一端通过锁紧块销轴连接在外导锥上作定轴转动，锁紧芯轴带动嵌入它内部的锁紧块绕着锁紧块芯轴进行定轴转动，从而实现锁紧块的上升和下降，当锁紧块上升的时候会与齿轮套的锥形面接触，最终压紧齿轮套，从而实现与被动连接机构的锁紧；锁紧完成之后，电机二带动主动齿轮旋转，主动齿轮与齿轮套啮合，从而带动齿轮套旋转，因为两个相邻细胞单元的主、被动连接机构已经锁紧，随着齿轮套的旋转，实现两个相邻细胞单元的相对转动，增加了一个旋转的自由度；最终实现两个相邻细胞单元的连接。
本发明与现有技术相比具有连接可靠、体积小、重量轻、模块化和集成化程度高、自重构性和扩展性好、互换性好、灵活性高等特点。具体来说，本发明整体为正六面体结构，正六面体外型可以实现空间任意表面的连接，并在其任意六个表面布置主动、被动连接组件，最终达到连接种类的多样性、自重构性和扩展性；本发明主动连接机构和被动连接机构分别集成在主动面板上和被动面板上，使结构紧凑，体积小，模块化程度更高，同时也可以将主动连接机构和被动连接机构换到别的面上，变换出多种构型，具有良好的互换性；电机一带动锁紧螺柱进行旋转运动，锁紧螺柱带动锁紧芯轴进行轴向进给往复运动，锁紧芯轴带动嵌入它内部的锁紧块绕着锁紧块芯轴进行定轴转动，从而实现锁紧块的上升和下降，当锁紧块上升的时候会与齿轮套的锥形面接触，最终压紧齿轮套，从而实现与被动连接机构的锁紧，外导锥的锥形结构保证连接时具有良好的导向性和容错能力，细牙螺纹和电机的自锁性，保证了连接的可靠性，使这种外导锥锁紧块组合机构的结构简单、紧凑、可靠，同时具有很好的容错能力；锁紧完成之后，电机二带动主动齿轮旋转，从而带动齿轮套旋转，因为两个相邻细胞单元的主、被动连接机构已经锁紧，随着齿轮套的旋转，实现两个相邻细胞单元的相对转动，增加了一个旋转的自由度，保证了连接细胞自身的“活性”，有利于减少了基础单元细胞的个数，更有利于空间细胞机器人的重构多样性和扩展性，也使最终形成的细胞机器人灵活性更好；整个支撑机构面板在不影响刚度和强度的情况下全部采用镂空结构，减轻了整体重量。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2和图3是本发明的外形示意图。
图4是本发明中主动连接机构连接示意图。
图5是本发明中被动连接机构连接示意图。
图6是本发明中外导锥结构示意图。
图7是本发明中锁紧块结构示意图。
图8是本发明中锁紧芯轴结构示意图。
图9是本发明中锁紧螺母结构示意图。
图10是本发明中齿轮套结构示意图。
附图标记：外导锥(1)、锁紧块(2)、锁紧块销轴(3)、锁紧芯轴(4)、锁紧螺柱(5)、内六角螺钉一(6)、电机固定座一(7)、电机一(8)、主动面板(9)、电机固定座二(10)、电机二(11)、主动齿轮(12)、齿轮套(13)、轴承(14)、轴承座(15)、轴承紧固块(16)、内六角螺钉二(17)、被动面板(18)、上面板(19)、下面板(20)、左侧面板(21)、右侧面板(22)。
具体实施方式：
如图1-10所示的主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，由主动连接机构、被动连接机构和支撑部分组成，主动连接机构包括外导锥(1)，锁紧块(2)，锁紧块销轴(3)，锁紧芯轴(4)，锁紧螺柱(5)，内六角螺钉一(6)，电机固定座一(7)，电机一(8)，主动面板(9)；被动连接机构包括电机固定座二(10)，电机二(11)，主动齿轮(12)，齿轮套(13)，轴承(14)，轴承座(15)，轴承紧固块(16)，内六角螺钉二(17)，被动面板(18)，支撑部分包括上面板(19)，下面板(20)左侧面板(21)，右侧面板(22)，所述整体为正六面体结构，可以实现空间任意表面的连接，并在其任意六个表面布置主动、被动连接组件，最终达到连接种类的多样性、自重构性和扩展性；所述的电机固定座一(7)通过螺钉与主动面板(9)连接；所述电机一(8)通过螺钉与电机固定座一(7)连接；所述电机一(8)的输入轴嵌入锁紧螺柱(5)内部并且通过内六角螺钉一(6)进行紧固连接，减速装置直接集成在了电机内部，可以使整体结构更加紧凑，减小整体体积；所述锁紧螺柱(5)的外螺纹与锁紧芯轴(4)的内螺纹进行螺纹配合，构成丝杠丝母传动机构，变锁紧螺柱(5)的旋转运动为锁紧芯轴(4)的直线运动；螺纹为细牙螺纹，保证螺纹连接的自锁性；所述锁紧芯轴(4)外表面与外导锥(1)内表面留有一定的间隙；所述锁紧块(2)一端嵌入锁紧芯轴(4)的外部凹槽内，锁紧芯轴(4)的外部用直铣刀铣出三个对称布置的凹槽，为锁紧块(2)运动时提供活动空间；所述锁紧块(2)的另一端通过锁紧块销轴(3)连接在外导锥(1)上，使锁紧块(2)绕锁紧块销轴(3)进行定轴转动；所述外导锥(1)的外部也铣出一些凹槽，T型凹槽是为了放入锁紧块，三角形凹槽是为了便于锁紧块销轴(3)装配，进行装配时，要使外导锥(1)凹槽与锁紧芯轴(4)凹槽对齐；所述外导锥(1)通过螺钉固定连接在主动面板(9)上，外导锥(1)表面加工成锥形，具有良好的导向性和容错能力，有利于与被动连接机构进行对接；所述电机固定座二(10)通过螺钉固定连接在被动面板(18)上；所述电机二(11)通过螺钉固定连接在电机固定座二上，将电机二(11)集成在后面板上，使结构紧凑，模块化和互换性程度高；所述电机二(11)输入轴与主动齿轮(12)通过键连接；所述电机一和电机二都具有良好的自锁性，保证了连接的可靠性；所述主动齿轮(12)与齿轮套(13)啮合；所述轴承座(15)通过螺钉固定在被动面板(18)上；所述轴承(14)外圈表面与轴承座(15)内表面贴合；所述齿轮套(13)光轴部分外表面与轴承(14)内圈贴合，加工齿轮套(13)为阶梯轴，轴承(14)利用齿轮套(13)的轴肩定位；所述齿轮套与锁紧块的接触面加工成锥形，使锁紧块与齿轮套锁紧可靠；所述轴承紧固块16一部分与轴承内圈贴紧，另外一半通过内六角螺钉(2)17与齿轮套13进行紧固连接，利用内六角螺钉(2)17和轴承紧固块(16)将齿轮套(13)和轴承内圈固定连接，防止齿轮套和轴承内圈产生相对滑动；所述被动连接组件增加了一个旋转自由度，保证了连接细胞自身的“活性”，减少了基础单元细胞的个数，有利于空间细胞机器人的重构多样性和扩展性；所述主动面板(9)、上面板(19)，下面板(20)，左侧面板(21)，右侧面板(22)、被动面板(18)之间通过螺钉固定连接，起到支撑作用，且这些支撑面板不影响刚度和强度的情况下全部采用镂空结构，可以减轻整体重量。
其工作过程如下：以两个如图1所示的细胞单元为例，主动连接机构利用外导锥的导向作用插入被动连接机构的齿轮套中，电机一输入轴通过内六角螺钉一与锁紧螺柱固定连接，电机一带动锁紧螺柱进行旋转运动，锁紧螺柱旋入锁紧芯轴内部，构成丝杠丝母传动，锁紧螺柱带动锁紧芯轴进行轴向进给往复运动，锁紧块一端嵌入锁紧芯轴内部，一端通过锁紧块销轴连接在外导锥上作定轴转动，锁紧芯轴带动嵌入它内部的锁紧块绕着锁紧块芯轴进行定轴转动，从而实现锁紧块的上升和下降，当锁紧块上升的时候会与齿轮套的锥形面接触，最终压紧齿轮套，从而实现与被动连接机构的锁紧；锁紧完成之后，电机二带动主动齿轮旋转，主动齿轮与齿轮套啮合，从而带动齿轮套旋转，因为两个相邻细胞单元的主、被动连接机构已经锁紧，随着齿轮套的旋转，实现两个相邻细胞单元的相对转动，增加了一个旋转的自由度；最终实现两个相邻细胞单元的连接。
本发明与现有技术相比具有连接可靠、体积小、重量轻、模块化和集成化程度高、自重构性和扩展性好、互换性好、灵活性高等特点。具体来说，本发明整体为正六面体结构，正六面体外型可以实现空间任意表面的连接，并在其任意六个表面布置主动、被动连接组件，最终达到连接种类的多样性、自重构性和扩展性；本发明主动连接机构和被动连接机构分别集成在主动面板上和被动面板上，使结构紧凑，体积小，模块化程度更高，同时也可以将主动连接机构和被动连接机构换到别的面上，变换出多种构型，具有良好的互换性；电机一带动锁紧螺柱进行旋转运动，锁紧螺柱带动锁紧芯轴进行轴向进给往复运动，锁紧芯轴带动嵌入它内部的锁紧块绕着锁紧块芯轴进行定轴转动，从而实现锁紧块的上升和下降，当锁紧块上升的时候会与齿轮套的锥形面接触，最终压紧齿轮套，从而实现与被动连接机构的锁紧，外导锥的锥形结构保证连接时具有良好的导向性和容错能力，细牙螺纹和电机的自锁性，保证了连接的可靠性，使这种外导锥锁紧块组合机构的结构简单、紧凑、可靠，同时具有很好的容错能力；锁紧完成之后，电机二带动主动齿轮旋转，从而带动齿轮套旋转，因为两个相邻细胞单元的主、被动连接机构已经锁紧，随着齿轮套的旋转，实现两个相邻细胞单元的相对转动，增加了一个旋转的自由度，保证了连接细胞自身的“活性”，有利于减少了基础单元细胞的个数，更有利于空间细胞机器人的重构多样性和扩展性，也使最终形成的细胞机器人灵活性更好；整个支撑机构面板在不影响刚度和强度的情况下全部采用镂空结构，减轻了整体重量。
Claims (7)
1.一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于：设有主动连接机构、被动连接机构以及支撑机构，所述支撑机构由六块等大的面板环绕连接组成一个中空的正六面体，其中六块等大的面板中包含主动面板(9)与被动面板(18)；所述主动连接机构设置在主动面板(9)上，被动连接机构设置在被动面板(18)上；
所述主动连接机构包括外导锥(1)、锁紧块(2)、锁紧块销轴(3)、锁紧芯轴(4)、锁紧螺柱(5)、内六角螺钉一(6)、电机固定座一(7)、电机一(8)以及主动面板(9)，其中电机固定座一(7)及电机一(8)均置于正六面体内，主动面板(9)上开设通孔，电机一(8)经电机固定座一(7)通过螺钉与主动面板(9)连接，且电机一(8)的输入轴穿过主动面板(9)上的通孔后嵌入锁紧螺柱(5)后端内并通过内六角螺钉一(6)进行紧固连接；锁紧螺柱(5)还设有外螺纹，并通过外螺纹与设有内螺纹的锁紧芯轴(4)进行螺纹配合；所述锁紧芯轴(4)位于主动面板(9)外侧，且锁芯芯轴(4)前端外壁上开设凹槽，所述锁紧块(2)一端嵌入锁紧芯轴(4)的外部凹槽内；另一端通过锁紧块销轴(3)连接在外导锥(1)上，使锁紧块(2)绕锁紧块销轴(3)进行定轴转动实现锁紧块(2)的上升和下降；所述外导锥(1)通过螺钉固定连接在主动面板(9)外侧；
所述被动连接机构包括电机固定座二(10)、电机二(11)、主动齿轮(12)、齿轮套(13)、轴承(14)、轴承座(15)、轴承紧固块(16)、内六角螺钉二(17)以及被动面板(18)，其中被动面板(18)中央开设通孔，所述电机二(11)经电机固定座二(10)通过螺钉固定连接在被动面板(18)内侧；所述电机二(11)输入轴与主动齿轮(12)通过键连接；所述主动齿轮(12)与齿轮套(13)啮合；所述轴承座(15)通过螺钉固定在被动面板(18)的通孔处；所述轴承(14)外圈表面与轴承座(15)内表面贴合；所述齿轮套(13)外表面与轴承(14)内圈贴合，并利用齿轮套(13)的轴肩定位；所述轴承紧固块(16)一部分与轴承(14)内圈贴紧，另外一半通过内六角螺钉二(17)与齿轮套(13)进行紧固连接。
2.根据权利要求1所述一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于锁紧螺柱(5)的后端设有夹紧块，夹紧块中央开设通孔，且夹紧块上设有贯通通孔的切缝，夹紧块由切缝分隔为左夹紧块和右夹紧块，左夹紧块或右夹紧块上开设螺钉孔，螺钉孔内设置内六角螺钉(6)，当电机一(8)的输入轴穿过主动面板(9)上的通孔伸入锁紧螺柱(5)后端夹紧块上的通孔内时，通过内六角螺钉(6)完成锁紧固定。
3.根据权利要求1所述一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于所述锁紧芯轴(4)呈具有一端端盖的套筒状，且锁紧芯轴(4)端盖中央开设通孔，锁芯芯轴(4)靠近端盖的一端开设贯通套筒状侧壁的凹槽，凹槽呈环形或由环形槽以及与环形槽相连通的沿锁紧芯轴(4)长度方向延伸的条形槽组成；锁紧螺柱(5)由锁紧芯轴(4)后端伸入并与锁紧芯轴(4)的内螺纹配合。
4.根据权利要求1所述一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于所述外导锥(1)表面开有三角形凹槽和T型凹槽，便于装入锁紧块(2)和锁紧块销轴(3)，同时外导锥(1)采用中空结构，减轻整体重量；而且外导锥(1)外表面加工成锥形，保证两个相邻细胞单元对接时具有良好的导向性和容错能力；所述锁紧芯轴(4)外表面与外导锥(1)内表面留有间隙，且锁紧芯轴(4)的外表面也开有凹槽，锁紧块(2)一端嵌入凹槽内部，进行装配时，要使外导锥凹槽与锁紧芯轴凹槽对齐。
5.根据权利要求1所述一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于所述齿轮套(13)采用阶梯结构，有齿部分直径大于光轴部分直径，采用齿轮套轴肩定位，齿轮套与轴承内圈通过轴承紧固块和内六角螺钉二进行紧固连接，防止齿轮套与轴承内圈产生相对滑动。
6.根据权利要求1所述一种主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元，其特征在于所述电机一、电机一的减速装置均集成在电机内部，使整体结构紧凑；所述锁紧螺柱为细牙螺纹；电机一、电机二和锁紧螺柱都具有很好的自锁性，保证连接的可靠性。
7.一种如权利要求1-6中任意一项所述主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元的使用方法，其特征在于主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元中任意一个的主动连接机构利用外导锥的导向作用插入第二个主被动对接锁紧式连接细胞机器人单元被动连接机构的齿轮套中，电机一输入轴通过内六角螺钉一与锁紧螺柱固定连接，电机一带动锁紧螺柱进行旋转运动，锁紧螺柱旋入锁紧芯轴内部，构成丝杠丝母传动，锁紧螺柱带动锁紧芯轴进行轴向进给往复运动，锁紧块一端嵌入锁紧芯轴内部，一端通过锁紧块销轴连接在外导锥上作定轴转动，锁紧芯轴带动嵌入它内部的锁紧块绕着锁紧块芯轴进行定轴转动，从而实现锁紧块的上升和下降，当锁紧块上升的时候会与齿轮套的锥形面接触，最终压紧齿轮套，从而实现与被动连接机构的锁紧；锁紧完成之后，电机二带动主动齿轮旋转，主动齿轮与齿轮套啮合，从而带动齿轮套旋转，因为两个相邻细胞单元的主、被动连接机构已经锁紧，随着齿轮套的旋转，实现两个相邻细胞单元的相对转动，增加了一个旋转的自由度；最终实现两个相邻细胞单元的连接。
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